Ukonventionel superleder fungerer som en del af en lovende kvanteberegningsplatform

Forskere på jagt efter en ukonventionel form for superleder har fremlagt det mest overbevisende bevis til dato, at de har fundet en. I et par papirer, forskere ved University of Marylands (UMD) Quantum Materials Center (QMC) og kolleger har vist, at uran ditellurid (eller UTe ₂ for kort) viser mange af kendetegnene for en topologisk superleder - et materiale, der kan låse op for nye måder at bygge kvantecomputere og andre futuristiske enheder på.

"Naturen kan være ond, "siger Johnpierre Paglione, professor i fysik ved UMD, direktøren for QMC og seniorforfatter på et af papirerne. "Der kan være andre grunde til, at vi ser alt det skøre, men helt ærligt, i min karriere, Jeg har aldrig set noget lignende. "

Alle superledere bærer elektriske strømme uden modstand. Det er lidt af deres ting. Ledningerne bag dine vægge kan ikke konkurrere med denne bedrift, hvilket er en af ​​mange grunde til, at store spoler af superledende tråde og ikke normale kobbertråde har været brugt i MR -maskiner og andet videnskabeligt udstyr i årtier.

Men superledere opnår deres super-konduktans på forskellige måder. Siden begyndelsen af ​​2000'erne har forskere har ledt efter en særlig form for superleder, en, der er afhængig af en indviklet koreografi af de subatomære partikler, der rent faktisk bærer dens strøm.

Denne koreografi har en overraskende instruktør:en gren af ​​matematik kaldet topologi. Topologi er en måde at gruppere former på, der forsigtigt kan omdannes til hinanden ved at skubbe og trække. For eksempel, en dejkugle kan formes til et brød eller en pizzatærte, men du kan ikke gøre det til en doughnut uden at stikke et hul i den. Resultatet er, at topologisk set, et brød og en tærte er identiske, mens en doughnut er anderledes. I en topologisk superleder, elektroner udfører en dans omkring hinanden, mens de cirkulerer noget, der ligner hullet i midten af ​​en doughnut.

Desværre, der er ingen god måde at skære en superleder op og zoome ind på disse elektroniske dansetrin. I øjeblikket, den bedste måde at fortælle, om elektroner boogier på en abstrakt donut eller ej, er at observere, hvordan et materiale opfører sig i eksperimenter. Indtil nu, ingen superleder har vist sig at være topologisk, men de nye papirer viser, at UTe ₂ udseende, svømmer og kvaksalver som den rigtige slags topologisk and.

En undersøgelse, af Paglione's team i samarbejde med gruppen af ​​Aharon Kapitulnik ved Stanford University, afslører, at der ikke findes én, men to slags superledelse samtidigt i UTe ₂ . Ved hjælp af dette resultat, samt måden lyset ændres på, når det preller af materialet (ud over tidligere offentliggjorte eksperimentelle beviser), de var i stand til at indsnævre de typer af superledning, der er til stede til to muligheder, som begge teoretikere mener er topologiske. De offentliggjorde deres resultater den 15. juli, 2021, i journalen Videnskab .

I en anden undersøgelse, et team ledet af Steven Anlage, professor i fysik ved UMD og medlem af QMC, afslørede usædvanlig adfærd på overfladen af ​​det samme materiale. Deres fund er i overensstemmelse med det længe eftertragtede fænomen topologisk beskyttede Majorana-tilstande. Majorana -tilstande, eksotiske partikler, der opfører sig lidt som halvdelen af ​​en elektron, forventes at opstå på overfladen af ​​topologiske superledere. Disse partikler ophidser især forskere, fordi de kan være et fundament for robuste kvantecomputere. Anlage og hans team rapporterede deres resultater i et papir, der blev offentliggjort 21. maj, 2021 i tidsskriftet Naturkommunikation .

Superledere afslører kun deres særlige egenskaber under en bestemt temperatur, meget ligesom vand fryser kun under nul Celsius. I normale superledere, elektroner parres op i en to-personers conga-linje, følge hinanden gennem metallet. Men i nogle sjældne tilfælde, elektronparene udfører en cirkeldans omkring hinanden, mere beslægtet med en vals. Det topologiske tilfælde er endnu mere specielt - elektronernes cirkeldans indeholder en hvirvel, som øjet midt i en orkans hvirvlende vinde. Når elektroner parrer sig på denne måde, hvirvelen er svær at slippe af med, hvilket er det, der adskiller en topologisk superleder fra en med en simpel, elektronisk dans i godt vejr.

Tilbage i 2018, Pagliones team, i samarbejde med teamet af Nicholas Butch, adjungeret lektor i fysik ved UMD og fysiker ved National Institute of Standards and Technology (NIST), uventet opdagede, at UTe ₂ var en superleder. Med det samme, det var klart, at det ikke var din gennemsnitlige superleder. Især, det virkede ubetonet af store magnetfelter, som normalt ødelægger superledning ved at splitte elektrondanspar. Dette var det første fingerpeg om, at elektronen parrer i UTe ₂ holde fast i hinanden mere end normalt, sandsynligvis fordi deres parrede dans er cirkulær. Dette vakte stor interesse og yderligere forskning fra andre inden for området.

"Det er lidt som en perfekt storm -superleder, "siger Anlage." Det kombinerer mange forskellige ting, som ingen nogensinde har set kombineret før. "

I det nye Videnskab papir, Paglione og hans samarbejdspartnere rapporterede om to nye målinger, der afslører UTes interne struktur ₂ . UMD -teamet målte materialets specifikke varme, hvilket karakteriserer, hvor meget energi det tager at varme det op med en grad. De målte den specifikke varme ved forskellige starttemperaturer og så den ændre sig, da prøven blev superledende.

"Normalt er der et stort spring i specifik varme ved den superledende overgang, "siger Paglione." Men vi ser, at der faktisk er to spring. Så det er bevis på faktisk to superledende overgange, ikke bare en. Og det er meget usædvanligt. "

De to spring foreslog, at elektroner i UTe ₂ kan parre sig til at udføre et af to forskellige dansemønstre.

I en anden måling, Stanford -teamet skinnede laserlys på et stykke UTe ₂ og bemærkede, at lyset, der reflekterede tilbage, var lidt snoet. Hvis de sendte lys ind og bobbede op og ned, det reflekterede lys bobbet mest op og ned, men også en smule til venstre og højre. Dette betød, at noget inde i superlederen snoede lyset op og ikke afviklede det på vej ud.

Kapitulniks team i Stanford fandt også ud af, at et magnetfelt kunne tvinge UTe ₂ i vridende lys på den ene eller den anden måde. Hvis de anbragte et magnetfelt, der pegede op, da prøven blev superledende, lyset, der kommer ud, ville vippes til venstre. Hvis de pegede magnetfeltet ned, lyset vippede til højre. Dette fortalte, at forskere, at for elektronerne, der danser inde i prøven, der var noget særligt ved krystalets op- og nedadgående retning.

For at finde ud af, hvad alt dette betød for elektronerne, der dansede i superlederen, forskerne hentede hjælp fra Daniel F. Agterberg, en teoretiker og professor i fysik ved University of Wisconsin-Milwaukee og en medforfatter af Videnskab papir. Ifølge teorien, den måde uran og telluratomer er arrangeret inde i UTe ₂ krystal gør det muligt for elektronpar at gå sammen i otte forskellige dansekonfigurationer. Da den specifikke varmemåling viser, at der foregår to danse på samme tid, Agterberg opregnede alle de forskellige måder at parre disse otte danse sammen. Det reflekterede lyss snoede karakter og et magnetfelts tvangskraft langs opad-aksen skærer mulighederne ned til fire. Tidligere resultater, der viser UTe's robusthed ₂ superledningsevne under store magnetfelter begrænsede den yderligere til kun to af disse dansepar, som begge danner en hvirvel og angiver en stormfuld, topologisk dans.

"Det interessante er, at i betragtning af begrænsningerne i det, vi har set eksperimentelt, vores bedste teori peger på en sikkerhed for, at den superledende tilstand er topologisk, «siger Paglione.

Hvis superledningsevnen i et materiale er topologisk, modstanden vil stadig gå til nul i hovedparten af ​​materialet, men på overfladen vil der ske noget unikt:Partikler, kendt som Majorana -tilstande, vises og danner en væske, der ikke er en superleder. Disse partikler forbliver også på overfladen trods defekter i materialet eller små forstyrrelser fra miljøet. Forskere har foreslået, at takket være disse partikels unikke egenskaber, de kan være et godt fundament for kvantecomputere. Kodning af et stykke kvanteinformation til flere Majoranas, der er langt fra hinanden, gør oplysningerne praktisk talt immune over for lokale forstyrrelser, der, indtil nu, har været bane for kvantecomputere.

Anlages team ønskede at undersøge overfladen af ​​UTe ₂ mere direkte for at se, om de kunne se underskrifter af dette Majorana -hav. At gøre det, de sendte mikrobølger mod en bid UTe ₂ , og målte de mikrobølger, der kom ud på den anden side. De sammenlignede output med og uden prøven, hvilket tillod dem at teste egenskaberne af massen og overfladen samtidigt.

Overfladen efterlader et aftryk på mikrobølgernes styrke, fører til et output, der bobler op og ned i synkronisering med input, men lidt dæmpet. Men da hovedparten er en superleder, det giver ingen modstand mod mikrobølgerne og ændrer ikke deres styrke. I stedet, det bremser dem, forårsager forsinkelser, der gør output bob op og ned ude af synkronisering med input. Ved at se på de ikke-synkroniserede dele af svaret, forskerne bestemte, hvor mange af elektronerne inde i materialet, der deltager i den parrede dans ved forskellige temperaturer. De fandt ud af, at adfærden stemte overens med de cirkeldanse, der blev foreslået af Pagliones team.

Måske vigtigere, den synkroniserede del af mikrobølgesvaret viste, at overfladen af ​​UTe ₂ er ikke superledende. Dette er usædvanligt, da superledning normalt er smitsom:At lægge et almindeligt metal tæt på en superleder spreder superledning til metallet. Men overfladen af ​​UTe ₂ syntes ikke at fange superledelse fra hovedparten - ligesom forventet for en topologisk superleder - og reagerede i stedet på mikrobølgerne på en måde, der ikke er set før.

"Overfladen opfører sig anderledes end enhver superleder, vi nogensinde har set på, "Siger Anlage." Og så er spørgsmålet 'Hvad er fortolkningen af ​​det afvigende resultat?' Og en af ​​fortolkningerne, som ville være i overensstemmelse med alle de andre data, er, at vi har denne topologisk beskyttede overfladetilstand, der ligner en indpakning omkring superlederen, som du ikke kan slippe af med. "

Det kan være fristende at konkludere, at overfladen af ​​UTe ₂ er dækket af et hav af Majorana -tilstande og erklærer sejr. Imidlertid, ekstraordinære krav kræver ekstraordinære beviser. Anlage og hans gruppe har forsøgt at komme med alle mulige alternative forklaringer på, hvad de observerede og systematisk udelukket dem, fra oxidation på overfladen til lys, der rammer kanterne af prøven. Stadig, det er muligt, at der endnu ikke er opdaget en overraskende alternativ forklaring.

"I baghovedet tænker du altid 'Åh, måske var det kosmiske stråler ', eller 'Måske var det noget andet, "" siger Anlage. "Du kan aldrig 100% fjerne enhver anden mulighed."

For Pagliones side, han siger, at rygende pistol ikke vil være mindre end at bruge overflade Majorana -tilstande til at udføre en kvanteberegning. Imidlertid, selvom overfladen af ​​UTe ₂ har virkelig en flok Majorana -tilstande, der er i øjeblikket ingen enkel måde at isolere og manipulere dem på. Det kan være mere praktisk med en tynd film af UTe ₂ i stedet for de (lettere at producere) krystaller, der blev brugt i disse nylige forsøg.

"Vi har nogle forslag til at prøve at lave tynde film, "Paglione siger." Fordi det er uran, og det er radioaktivt, det kræver noget nyt udstyr. Den næste opgave ville være at faktisk prøve at se, om vi kan dyrke film. Og så ville den næste opgave være at prøve at lave enheder. Så det ville tage flere år, men det er ikke tosset. "

Uanset om UTe ₂ viser sig at være den længe ventede topologiske superleder eller bare en due, der lærte at svømme og kvæke som en and, både Paglione og Anlage er spændte på at blive ved med at finde ud af, hvad materialet har i vente.

"Det er dog ret klart, at der er en masse sej fysik i materialet, "Siger Anlage." Hvorvidt det er Majoranas på overfladen eller ej, er bestemt et konsekvensproblem, men det er at udforske ny fysik, som er det mest spændende. "